SPHC so với SPHD – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SPHC và SPHD là hai loại thép cán nóng theo tiêu chuẩn JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản) thường được sử dụng trong chế tạo, linh kiện ô tô, kết cấu chung và sản xuất nhẹ. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường lựa chọn giữa hai loại này khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và hiệu suất cơ học cần thiết cho các chi tiết dập, uốn hoặc hàn.

Sự khác biệt kỹ thuật chính liên quan đến việc lựa chọn thành phần là SPHD được sản xuất và chỉ định để mang lại độ dẻo cao hơn (độ dẻo và khả năng định hình) so với SPHC, một loại thép cán nóng chất lượng thương mại thông dụng. Vì cả hai đều là thép hợp kim thấp, hàm lượng cacbon thấp, nên vấn đề lựa chọn thường tập trung vào hiệu suất tạo hình (kéo sâu, uốn rộng) so với tính sẵn có rộng rãi và chi phí thấp hơn của một sản phẩm chất lượng thương mại.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• JIS: SPHC và SPHD là các loại thép mềm cán nóng được JIS chỉ định.
• Các tiêu chuẩn khác:
• ASTM/ASME: Các loại thép tương đương thô là thép cacbon thấp cán nóng dùng cho mục đích chung (ví dụ: loại thương mại ASTM A1011) nhưng không nên cho rằng có sự tương đương trực tiếp một-một nếu không tham khảo các yêu cầu về đặc tính và chứng nhận cụ thể.
• EN: Thép EN như S235JR/S235J0 cũng có vai trò tương tự đối với các sản phẩm cán nóng chất lượng chung hoặc kết cấu; một lần nữa, các đường chéo phải được xác nhận theo các yêu cầu về hóa học và cơ học.
• GB (Trung Quốc): Nhiều loại thép thuộc họ Q235 phục vụ cho các thị trường tương tự.
• Phân loại: Cả SPHC và SPHD đều là thép carbon thấp, không gỉ (không phải HSLA, không phải thép dụng cụ, không phải thép không gỉ). Chúng được dùng cho mục đích tạo hình và kết cấu nói chung, chứ không phải cho các ứng dụng có độ bền cao hoặc chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả SPHC và SPHD đều được thiết kế là thép hợp kim thấp, hàm lượng carbon thấp. Chúng dựa trên phương pháp hợp kim hóa tối thiểu; chiến lược hợp kim hóa là giữ hàm lượng carbon và các nguyên tố còn lại ở mức thấp để đảm bảo khả năng tạo hình nguội tốt, khả năng hàn và chi phí thấp.

Yếu tố	SPHC (điển hình)	SPHD (điển hình)	Ghi chú
C (Cacbon)	Thấp (cấp độ carbon thấp)	Thấp (thường tương đương hoặc thấp hơn một chút)	Chỉ số C thấp hơn có lợi cho khả năng tạo hình và hàn. SPHD được thiết kế để có độ dẻo cao hơn.
Mn (Mangan)	Có mặt ở mức độ nhỏ đến trung bình	Có mặt ở mức độ nhỏ đến trung bình	Mn kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng; giữ ở mức vừa phải để cân bằng độ bền và khả năng tạo hình.
Si (Silic)	Theo dõi đến mức thấp	Theo dõi đến mức thấp	Chủ yếu là khử oxy; được kiểm soát để tránh làm giảm khả năng tạo hình.
P (Phốt pho)	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp	Giữ ở vị trí thấp để tránh bị giòn.
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp	Kiểm soát thấp	Giữ ở mức thấp; lưu huỳnh có thể cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo.
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý	Các thành phần hợp kim/làm cứng vi mô này rất ít hoặc không có; các cấp độ này không phải là HSLA.
N (Nitơ)	Dấu vết	Dấu vết	Có thể được kiểm soát để bao gồm và phản ứng cơ học.

Giải thích: Mục đích hợp kim của cả hai loại thép này là bổ sung tối thiểu: đủ Mn và Si để khử oxy và tăng cường độ bền cơ bản, đồng thời giữ các nguyên tố làm tăng độ cứng hoặc giảm độ dẻo (C, Cr, Mo, v.v.) ở mức thấp. Các thông số kỹ thuật SPHD và quy trình gia công cán tập trung vào cải thiện độ dẻo thông qua các giới hạn chặt chẽ hơn và kiểm soát quy trình thay vì thông qua hợp kim hóa học đáng kể.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô: - Cấu trúc vi mô cán cho cả hai loại thép này thường là ferit với các túi perlit (đặc trưng của thép cán nóng hàm lượng cacbon thấp). Tỷ lệ thể tích của perlit nhỏ vì hàm lượng cacbon thấp. - Hình thái tạp chất và kích thước hạt phụ thuộc vào quy trình luyện thép và lịch trình cán/ủ.

Đang xử lý phản hồi: - SPHC: Được sản xuất dưới dạng sản phẩm cán nóng thông thường với quy trình làm nguội kiểm soát tiêu chuẩn. Cấu trúc vi mô thường là ferit/pearlit thô. Việc thường hóa hiếm khi được áp dụng cho các loại thép thương mại này; việc cải thiện tính chất cơ học thông qua xử lý nhiệt bị hạn chế vì chúng không được thiết kế để sử dụng trong quá trình tôi/ram. - SPHD: Mặc dù tương tự về mặt hóa học, SPHD được xử lý và thiết kế để cải thiện khả năng định hình. Điều này có thể bao gồm kiểm soát chặt chẽ hơn nhiệt độ hoàn thiện cán nóng, làm nguội có kiểm soát để tinh chỉnh cấu trúc hạt và ủ ánh sáng tiềm năng để cải thiện độ dẻo. Kết quả là vi cấu trúc ferritic mịn hơn và mật độ tạp chất sạch hơn, giúp tăng cường khả năng định hình.

Tác dụng của các phương pháp xử lý nhiệt thông thường và phương pháp nhiệt cơ học: - Ủ (giữa tới hạn hoặc toàn phần) sẽ làm tăng độ dẻo cho cả hai loại, nhưng SPHD có nhiều khả năng được cung cấp với lịch sử xử lý nhằm mục đích duy trì độ dẻo. - Tôi và ram hoặc xử lý nhiệt mạnh không phải là phương pháp điển hình đối với các loại thép này; chúng không được thiết kế để phản ứng làm cứng martensitic do hàm lượng carbon thấp và thiếu các nguyên tố làm cứng. - Kiểm soát nhiệt cơ học (cán có kiểm soát và làm nguội nhanh) có thể tăng nhẹ độ bền mà không làm giảm độ dẻo — thường là phương pháp dành cho thép HSLA hơn là SPHC/SPHD.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là bảng so sánh định tính phản ánh đặc tính điển hình của các loại thép cán nóng thương mại theo tiêu chuẩn JIS này. Cần sử dụng chứng chỉ nhà máy cụ thể và thông số kỹ thuật mua hàng để tính toán thiết kế.

Tài sản	SPHC	SPHD	Nhận xét
Độ bền kéo	Điển hình của thép cán nóng ít carbon	Tương tự như SPHC	Cả hai đều là thép cacbon có độ bền thấp; phạm vi chịu kéo chồng chéo nhau.
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Có thể so sánh với mức thấp hơn một chút	Có thể chỉ định SPHD để đảm bảo năng suất thấp hơn một chút nhằm cải thiện khả năng tạo hình và tránh hiện tượng thắt nút sớm trong quá trình kéo.
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt	Cao hơn SPHC	SPHD được chỉ định để có độ giãn dài cao hơn và độ dẻo vượt trội cho các hoạt động tạo hình.
Độ bền va đập	Biến đổi, vừa phải ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Biến đổi, trung bình đến tốt hơn	Tác động phụ thuộc vào độ dày, quá trình xử lý; độ dẻo dai tốt hơn của SPHD thường chuyển thành độ dẻo dai được cải thiện trong các ứng dụng quan trọng về tạo hình.
Độ cứng	Thấp đến trung bình	Thấp đến trung bình	Không có loại nào cứng; độ cứng sẽ tương tự nhau và chủ yếu phụ thuộc vào quá trình chế biến và độ dày cuối cùng.

Giải thích: Yếu tố lựa chọn quan trọng là khả năng tạo hình: SPHD hướng đến độ giãn dài cao hơn và khả năng biến dạng dẻo vượt trội (kéo sâu, uốn mạnh) so với SPHC thông thường. Sự khác biệt về độ bền thường nhỏ và chồng chéo; việc lựa chọn SPHD hiếm khi nhằm mục đích tăng độ bền mà là cải thiện khả năng dự đoán và cải thiện khả năng biến dạng dẻo trong quá trình tạo hình.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của cả SPHC và SPHD nhìn chung đều tốt do hàm lượng cacbon và hợp kim thấp, nhưng quá trình hợp kim hóa và chế biến vi mô có thể ảnh hưởng đến khả năng nứt nguội và làm cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Công thức đánh giá khả năng hàn phổ biến: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (thông số khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Đối với các loại thép có hàm lượng carbon thấp này, giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thường thấp, cho thấy khả năng hàn tốt với vật liệu hàn thép carbon tiêu chuẩn và quy trình gia nhiệt trước. - Độ dẻo dai được cải thiện của SPHD làm giảm nguy cơ biến dạng và nứt do hàn trong quá trình tạo hình, nhưng vì SPHD có thể được cung cấp với năng suất thấp hơn một chút và độ dẻo dai cao hơn nên quá trình hàn cần cân nhắc đến khả năng biến dạng còn sót lại ở các cỡ mỏng. - Xử lý nhiệt trước và sau khi hàn thường không cần thiết đối với độ dày vừa phải, nhưng luôn tuân thủ các thông số kỹ thuật về quy trình hàn (WPS) dựa trên độ dày, hạn chế và môi trường làm việc.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SPHC và SPHD đều không phải là thép không gỉ; chúng dễ bị ăn mòn trong môi trường khí quyển và công nghiệp.
• Bảo vệ tiêu chuẩn:
• Hệ thống mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện hoặc sơn/phủ sẵn cung cấp khả năng bảo vệ tạm thời hoặc bảo vệ rào cản.
• Lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn tĩnh điện) thường được sử dụng cho các bộ phận hoàn thiện.
• Có thể sử dụng dầu hoặc chất chống gỉ tạm thời trong quá trình lưu trữ và vận chuyển.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Nếu đánh giá các lựa chọn thay thế thép không gỉ, có thể sử dụng chỉ số PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Mức độ ăn mòn (độ dày vật liệu, lựa chọn lớp phủ) dựa trên môi trường và tuổi thọ dự kiến; mạ kẽm là lựa chọn kinh tế phổ biến cho các kết cấu lộ ra ngoài.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng tạo hình: SPHD được tối ưu hóa cho việc tạo hình (kéo, kéo sâu, uốn nhiều lần) và sẽ ít bị tách hơn, khả năng chống nhăn tốt hơn và độ giãn dài đồng đều cao hơn SPHC ở lịch sử xử lý tương đương.
• Uốn cong: SPHD chịu được bán kính uốn cong hẹp hơn và lực kéo sâu hơn với nguy cơ nứt cạnh giảm.
• Khả năng gia công: Cả hai loại đều có khả năng gia công ở mức trung bình; SPHC có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn một chút (nếu được chỉ định để tăng khả năng gia công) có thể dễ gia công hơn, nhưng thông lệ tiêu chuẩn là chọn các lớp nền được tăng cường khả năng gia công khi cần.
• Cắt và dập: Cả hai đều có thể dập dễ dàng; SPHD có thể hoạt động tốt hơn trên máy ép tốc độ cao khi cần tạo ra các bản vẽ phức tạp.
• Các hoạt động thứ cấp (tạo hình sau khi hàn, nắn thẳng bằng nhiệt) phải tính đến ứng suất dư; độ dẻo cao hơn của SPHD thường làm giảm sự thay đổi về độ đàn hồi trong quá trình tạo hình.

8. Ứng dụng điển hình

SPHC (Công dụng điển hình)	SPHD (Công dụng điển hình)
Các bộ phận kết cấu chung mà việc tạo hình nặng không quan trọng: các phần kênh, chế tạo chung, các tấm không quan trọng	Tấm ô tô được kéo sâu, các bộ phận đồ dùng nhà bếp, đồ đạc cần biến dạng dẻo đáng kể
Khung nhẹ, các bộ phận dập đơn giản, các thành phần kết cấu hàn	Các bộ phận dập và kéo phức tạp, các thành phần được tạo hình chính xác, các bộ phận yêu cầu kiểm soát kích thước chặt chẽ sau khi tạo hình
Các phần hộp, giá đỡ, ứng dụng tấm thương mại chung	Tấm có khả năng định hình cao, các bộ phận được xử lý theo trình tự tạo hình đa hoạt động

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SPHC vì tính khả dụng rộng rãi, chi phí thấp hơn và khi các hoạt động tạo hình đơn giản hoặc khi năng suất cao hơn có thể chấp nhận được. - Chọn SPHD khi quy trình bao gồm kéo sâu, uốn cong mạnh hoặc các hoạt động tạo hình có độ biến dạng cao khác, trong đó yêu cầu hành vi dẻo có thể dự đoán được và độ giãn dài cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SPHC thường là sản phẩm đa năng, giá thành thấp hơn do sản lượng lớn hơn và quy trình kiểm soát ít nghiêm ngặt hơn. SPHD có thể có mức giá cao hơn một chút do kiểm soát chặt chẽ hơn về hóa học, quy trình chế biến và các chỉ số định hình được đảm bảo.
• Tính khả dụng: SPHC được cung cấp rộng rãi với nhiều độ dày và dạng cuộn từ nhiều nhà máy khác nhau. Tính khả dụng của SPHD có thể bị hạn chế hơn một chút tùy theo nhà máy và khu vực, nhưng thường được dự trữ cho các chuỗi cung ứng ô tô và thiết bị gia dụng. Tính khả dụng của sản phẩm (cuộn, tấm, tấm) thay đổi tùy theo nhà máy và thị trường; hãy luôn xác nhận thời gian giao hàng với nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt

Đặc điểm	SPHC	SPHD
Khả năng hàn	Tốt (chung)	Tốt (chung); tốt hơn một chút đối với các cụm lắp ráp đã hình thành
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng carbon thấp tiêu chuẩn	Độ bền tương tự, độ dẻo/độ dai được cải thiện để tạo hình
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Thông thường cao hơn một chút do quá trình xử lý để tạo hình

Sự giới thiệu: - Chọn SPHC nếu yêu cầu của bạn ưu tiên tính khả dụng và chi phí cho các bộ phận kết cấu và dập chung, trong đó tạo hình sâu và độ dẻo tối đa không quan trọng. - Chọn SPHD nếu các bộ phận của bạn bị biến dạng dẻo đáng kể (kéo sâu, uốn cong mạnh, tạo hình nhiều giai đoạn) và bạn cần độ giãn dài cao hơn, có thể dự đoán được và khả năng tạo hình được cải thiện ngay cả với mức giá cao hơn.

Ghi chú kết luận: SPHC và SPHD là hai loại thép cán nóng ít carbon cùng loại với độ bền tương đương. Quyết định kỹ thuật chính phụ thuộc vào khả năng tạo hình—chọn loại thép phù hợp với độ cứng tạo hình, kiểm tra chứng nhận nhà máy về giới hạn hóa học và cơ học, và xác nhận quy trình tạo hình và hàn trên các lô vật liệu đại diện trước khi sản xuất hàng loạt.